基于虛擬仿真技術的儀器分析實驗課教學改革探索*

王 敏 宋志國 趙 爽 萬 鑫 曹春艷

（渤海大學化學與材料工程學院 遼寧錦州 121013）

引言

儀器分析實驗課程是化學及相關專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，是儀器分析理論課程的重要教學實踐環(huán)節(jié)。通過該課程的學習，學生能熟練掌握常見分析儀器的操作、原理及使用。該課程實踐性強，但很多高校由于場地和費用等原因，存在實驗設備臺套數(shù)不足、型號落后、種類單一等問題，多停留在“課堂理論教學先行，實驗操作演示補充”的模式，嚴重制約了教學質(zhì)量的提高以及學生動手能力的培養(yǎng)[1]。因此，尋求有效途徑對儀器分析實驗課程進行改革尤為重要。

渤海大學堅持以學生為中心的育人理念，面向人才培養(yǎng)目標，充分發(fā)揮數(shù)字化實驗教學資源的優(yōu)勢，在化學及相關專業(yè)開設了大型儀器虛擬仿真實驗課程。該課程涉及精密儀器的原理、構造、使用和多種儀器的組裝，是專業(yè)核心課程儀器分析的配套實驗課程，是一門需要多學科理論與實踐支撐的實踐性很強的綜合性課程。本課程的開設彌補了傳統(tǒng)教學的不足，學生可隨時隨地隨需開展個性化自主學習，有效節(jié)約了實驗成本，不再受實驗學時的限制，安全可靠，仿真度高，填補了實體教學的不足。通過線上線下結(jié)合，課內(nèi)課外結(jié)合，以虛促實，開啟了“理論-實物-虛擬”三層次實驗教學新模式，全面提高學生的綜合素質(zhì)。

一、在儀器分析實驗教學中引入虛擬仿真技術的必要性

眾所周知，化學、化工類課程內(nèi)容相對抽象，工程實踐性強，這就要求開設大量課時的實驗和實踐教學來配合理論課程的學習才能獲得最佳的教學效果。而分析檢測儀器實物成本高、占地面積廣、測試周期長，不便開展多臺套實物實驗教學任務，尤其昂貴的儀器設備開放程度有限，本科生在校實物操作的可能性很小，無論是課時還是實踐教學都遠遠滿足不了課程教學所需，這也導致了很多學生理論與實踐完全脫節(jié)，一旦步入工作崗位，就會顯現(xiàn)出操作能力不足的問題[2]?；谝陨蠁栴}，建立一套完善的虛實結(jié)合的課程體系是解決目前困境的最有效手段。通過虛擬仿真實驗，突破原有專業(yè)、學科、場地和設備的界限，重新構建線上線下相結(jié)合的實驗課程教學體系，減少單純驗證性實驗，增加綜合性、設計性及創(chuàng)新性實驗，充分發(fā)揮學生在實驗過程中的主動性，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣，為學生獨立自主地進行學習與實踐創(chuàng)造良好的條件，從而達到培養(yǎng)學生綜合能力的目的[3]。

近年來，網(wǎng)絡教育的優(yōu)勢逐漸被凸顯出來，國內(nèi)許多高校已經(jīng)對虛擬實驗教學和管理模式進行了有益探索和研究，并取得了很好的效果。如華中師范大學徐建團隊基于虛擬仿真實驗教學課程共享平臺數(shù)據(jù)，通過對所有國家認定的一流課程進行統(tǒng)計分析，探究不同學科門類課程的建設指數(shù)、接觸指數(shù)、應用指數(shù)、難度指數(shù)、互動指數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，在課程建設、課程應用以及課程用戶體驗方面提出相應的對策建議[4]。四川大學化學虛擬仿真實驗教學中心從自身特色出發(fā)，在項目自主研發(fā)、平臺校企共建、高校資源共享等多方面進行建設，創(chuàng)新性發(fā)展，已建成完善的人才培養(yǎng)體系、管理體制及豐富的資源配置，與課堂實驗教學相輔相成，突破了化學實驗教學條件限制、時間限制和空間限制，實現(xiàn)了資源的共建共享與示范引領[5]。吉林大學馬健博士帶領團隊分析了高校虛擬仿真實驗教學類型，結(jié)合分析結(jié)果，設計開發(fā)了在線實驗教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括信息輸入單元、實驗教學虛擬交互單元以及信息輸出單元等，除了考查學生實驗操作，外還能夠?qū)崿F(xiàn)教師對學生信息的查看、調(diào)整與增減等功能，可達到高校實驗教學需求[6]。基于互聯(lián)網(wǎng)技術的強大互連特性，虛擬仿真實驗室為遠程教育學習者提供“個性化”“自主式”“交互式”且“實時”的實驗環(huán)境，使學生能夠在任何時間、任何地點遠程訪問儀器設備并進行實驗操作，實時觀察實驗結(jié)果，最終獲得實驗報告。因此，在傳統(tǒng)的化學實驗教學模式上進行虛擬仿真實驗模式改革非常有必要，可以說將虛擬仿真技術引入實驗教學是未來高等院校實驗課程發(fā)展的方向。

二、渤海大學儀器分析實驗課“三層次”教學體系的實施

渤海大學擁有省級化學化工虛擬仿真實驗教學中心，該中心有化工類虛擬仿真軟件27套，大型分析檢驗儀器類虛擬仿真訓練軟件30套，可容納130人同時進行虛擬仿真實驗教學，還有實驗室安全VR系統(tǒng)，可以讓學生身臨其境的進行實驗操作及安全培訓。科學的價值觀引領教學，實驗教學對大學生樹立正確的價值觀，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，思想政治教育、“三觀”養(yǎng)成有著重要影響，虛擬仿真環(huán)境為學生提供了一個全新虛擬學習空間。

渤海大學對“線上+線下”混合實驗教學模式進行了有益探索，以化學（師范）專業(yè)為例，在專業(yè)培養(yǎng)方案中，《儀器分析》是專業(yè)核心課，51學時；《儀器分析實驗》是學科專業(yè)基礎課，40學時；大型儀器虛擬仿真實驗是專業(yè)限定選修課，36學時。該“理論-實物-虛擬”三層次課程體系，遵循虛實結(jié)合、能實不虛、虛實互補的原則，采用虛擬技術與仿真技術相結(jié)合的方法，層層遞進，夯實基礎，建立有別于傳統(tǒng)實驗室的現(xiàn)代化實驗基地。學生在實驗過程中，通過虛擬仿真技術體驗實驗實操環(huán)節(jié)，反復操作，掌握實驗知識點、達到教學目的。同時，虛擬仿真技術也能夠讓學生全方位體會科學成果來之不易，正確認識實驗中存在的問題，激發(fā)學生投入科學研究和教學活動的主動性與自學性，改變對實驗教學的傳統(tǒng)觀念，提升實驗課中課程思政學習效果，如表1所列。

表1 《大型儀器虛擬仿真實驗》教學項目

三、“理論-實物-虛擬”三層次教學體系的特色與創(chuàng)新

1.實驗方案設計思路創(chuàng)新

當今社會和科技發(fā)展迅速，如何提高大學生實驗技能和綜合素質(zhì)是大學教育的熱點問題。但很多學生對儀器的認知和使用仍存在一些問題，如從未接觸過、不懂操作、不能熟練應用、無法取得正確的實驗結(jié)果，使科學研究受限，因此盡力提高學生的儀器操作技能是十分必要的[7]。

虛擬實驗仿真度高，著力于還原真實實驗的教學要求、實驗原理、操作環(huán)境及互動感受，通過全三維沉浸式立體交互模式，將整個儀器設備的內(nèi)部構造、結(jié)構關系、操作技巧完整生動的展現(xiàn)在學生面前，讓學生有身臨其境的體驗，為學習者提供“個性化”“自主式”“交互式”且“實時”的實驗環(huán)境。同時，仿真實驗配套操作指導評價系統(tǒng)，學生通過虛擬仿真實驗軟件，首先按照教師演示的操作步驟和講授的注意事項先進行模仿操作，然后在沒有提示的情況下獨立完成實驗，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)自動記錄學生操作全過程，給出實時評價和打分。學生還可多次練習，直至完全掌握，最終記錄最高分。這種評價體系既注重評價主體多元化，又注重評價內(nèi)容和評價過程的多元化，保證評價的全面、客觀，對提高學生的動手實踐能力和科研能力很有幫助，促進了人才培養(yǎng)質(zhì)量的整體提升。

2.教學方法創(chuàng)新

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”已經(jīng)在改變著理論課堂教學的方式，也同樣改變實驗教學，在化學實驗教學過程中，化學實驗項目的安全性、教學設施不足和教學手段的限制，制約了實驗教學的效果，將互聯(lián)網(wǎng)和信息化技術運用到實驗教學中具有重要的意義。

渤海大學將虛擬仿真技術融入實驗教學中，構建的儀器分析“三層次”課程體系既提升了實驗教學的水平和層次，又加深了學生對精密儀器高難度操作的掌握，也提升了學生實踐創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)。利用虛擬仿真實驗技術和“任務驅(qū)動”探究式教學模式開展教學，實驗過程中，通過演示、練習、討論、綜合研究等教學方法，充分發(fā)揮學習主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作精神。每3-4名同學為一個小組，每人一臺電腦，登錄各自的賬號。學生們以小組為單位進行交流、討論，并深入探討還有哪些需要注意的問題。學生們在交流討論的過程中集思廣益、互相啟發(fā)、取長補短，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，加深對學習內(nèi)容的理解，激發(fā)學生的學習興趣，提高實驗教學的質(zhì)量，培養(yǎng)學生專研并解決問題的能力，提高學生的獨立性。

3.對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展

渤海大學建有開放性、擴展性、兼容性、前瞻性和共享性虛擬仿真實驗教學平臺，涵蓋了預約管理、實驗管理、角色管理、預習練習、演示操作、在線考核等8個方面，能夠?qū)崿F(xiàn)校內(nèi)外、全省及全國范圍內(nèi)的實驗教學資源共享，滿足多學科專業(yè)、多學校和多地區(qū)的虛擬仿真實驗教學的需求。

虛實結(jié)合的實驗教學體系拓展了傳統(tǒng)實驗教學的廣度，使學生有機會接觸、掌握更多種類精密、貴重大型儀器的原理和使用，為綜合實驗過程進行準備。加深了傳統(tǒng)實驗教學的深度，克服了教學和科研條件的限制，使更多的學生能夠深入了解科學研究方法及手段，提高學生對分析及表征實驗的認知，培養(yǎng)大學生的科研思維、創(chuàng)新意識和動手能力，為從事科學研究打下堅實的基礎。同時，虛擬教學平臺24小時開放，并開設了很多開放性實驗教學項目，充分滿足了學生利用空閑時間和碎片時間進行遠程預習、練習、學習和培訓的需要。實驗教學排課靈活，可統(tǒng)一安排，也可自選，學生可隨時隨地進行虛擬實驗實訓，有利于課內(nèi)實驗教學和課外創(chuàng)新實驗的開展，促進了學生自主學習和研究探索能力的提高[8]。

結(jié)語

十幾年的教學實踐表明，渤海大學儀器分析“三層次”實驗教學體系，以學生的創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)為核心，分層次、分模塊設置實驗課程與實驗內(nèi)容，按照教育規(guī)律和“夯實寬厚基礎，強化通識教育，突出專業(yè)教育，強化實踐教育和創(chuàng)新教育”的要求，以學生為中心，以學習成果為導向，循序漸進、全方位地培養(yǎng)學生的基本技能、專業(yè)技能和綜合創(chuàng)新能力。學生學習積極性高，實踐能力培養(yǎng)效果好，促進了人才培養(yǎng)質(zhì)量的整體提升。